CN103245302A - 三维形状测量装置 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，一种三维形状测量装置至少包括：提供有多个共焦孔的孔板，所述多个共焦孔被二维设置为具有预定设置周期；以及孔板位移部，其使孔板在垂直于光轴方向的预定方向上以恒定速度产生位移。此外，孔板提供有盖构件，该盖构件与孔板整体地移动并包括透明体，该透明体允许来自光源的光束通过其中并照射到多个共焦孔，并且保护多个共焦孔避免灰尘。此外，考虑到包括盖构件的透明体的整个光学系统的光学特性来设计成像光学系统，每一反射光束通过该成像光学系统引导到光检测器。

Description

三维形状测量装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年2月3日提交的日本专利申请No.2012-022189的优先权权益，其全部内容通过参考并入本文中。

技术领域

本文说明的实施例总体上涉及一种三维形状测量装置，其通过使用共焦光学系统来测量物体的三维形状。

背景技术

作为用于测量三维形状，例如物体的表面形状的方法之一，存在通过借助使用共焦光学系统获取与物体的表面上每一点的高度有关的信息来测量该物体的表面形状的方法。在使用共焦光学系统的测量中，原则上针对每一点执行测量，因此用以测量表面积的特殊工具是必需的。

作为通过使用共焦光学系统的用于测量诸如物体的表面的表面积的此类技术，在JP-A9-329748中公开了一种技术。

JP-A9-329748公开了一种提供有光源和其中形成多个孔的Nipkow盘的共焦显微镜。每一个孔用作点光源和检测器。分别通过多个孔的多个光束由物镜会聚到测量物体的侧面上各自的相应会聚位置。因此，当旋转Nipkow盘时，在测量物体的表面上可以容易地以高速扫描通过多个孔并会聚在测量物体侧面上的多个会聚位置的每一个光束（下文中称为斑点（spot））。

然而，在通过使用Nipkow盘在测量物体表面上扫描斑点的方法中，难以避免由Nipkow盘的旋转引起的不利影响。由Nipkow盘的旋转引起的不利影响的示例包括以下事实：按照距盘的中心的距离，根据Nipkow盘的旋转由孔引出的轨迹（trajectory）的曲线的曲率是不同的。轨迹的曲率对于每一个孔都是不同的，由此出现变化，以至于对于每一个孔的扫描速度是不同的。此外，无法避免由于盘的偏心造成的旋转偏差，并且无法避免由盘的连续旋转所产生的振动。

发明内容

考虑到以上情形而做出本发明，因此本发明的目的是提供一种三维形状测量装置，其能够线性扫描测量物体表面上的多个斑点。

为了解决上述问题，根据本发明方面的三维形状测量装置使用共焦光学系统，并包括孔板、物镜、焦点位置改变单元、光检测器组、孔板位移单元、成像控制单元、高度确定单元、盖构件及成像光学系统。孔板提供有多个共焦孔，该多个共焦孔允许来自光源的光束通过其中并且该多个共焦孔被二维设置为具有预定设置周期。物镜将通过多个共焦孔的每一光束会聚于物侧聚焦点，并再次将由会聚光束在测量物体处的反射所形成的每一反射光束会聚于各自对应的共焦孔。焦点位置改变单元包括旋转体和驱动部，所述旋转体上提供有多个平行板式构件，所述多个平行板式构件至少在折射率和厚度之一上彼此不同，并沿着旋转方向设置以便与物镜的光轴相交，所述驱动部配置为以预定速度连续地旋转所述旋转体。并且每次由所述旋转体的旋转改变与光轴相交的所述平行板式构件时，焦点位置改变单元不连续地改变物侧聚焦点在光轴方向上的位置。光检测器组包括多个光检测器，每一个光检测器输出与再次通过共焦孔的反射光束的强度相对应的信号。孔板位移单元使所述孔板在垂直于所述光轴方向的预定方向上以恒定速度产生位移，以改变在垂直于所述光轴方向的所述方向上所述物侧聚焦点的所述位置与所述测量物体的位置之间的相对位置关系。成像控制单元使所述光检测器组在所述孔板在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上的恒定速度移动时段中多次执行曝光，以及使所述光检测器组在每次成像目标区包括在所述平行板式构件中时执行每一所述曝光。并且，成像控制单元控制所述孔板的移动速度、所述旋转体的旋转速度以及所述光检测器组的曝光时间和曝光时序，以使得所述光检测器组的所述曝光时间与所述孔板移动由所述预定设置周期乘以第一正整数获得的距离所经历的时间一致。高度确定单元基于所述光检测器的对于由所述焦点位置改变单元不连续地改变的所述物侧聚焦点在所述光轴方向上的每一所述位置的所述信号，估计所述测量物体的所述位置，在所述位置处入射到每一所述光检测器上的所述反射光束的强度变为最大。盖构件提供在所述孔板上方，以与所述孔板整体地由所述孔板位移单元产生位移。所述盖构件包括透明体，所述透明体允许所述光源的所述光束通过其中并且允许所述光源的所述光束照射到所述多个共焦孔，并且所述盖构件保护所述多个共焦孔避免灰尘。考虑到包括所述盖构件的所述透明体的整个光学系统的光学特性而设计的成像光学系统，并且成像光学系统将再次通过所述共焦孔的所述反射光束引导到所述光检测器。

使用三维形状测量装置，可以线性地扫描测量物体表面上的多个斑点。

附图说明

包含在说明书中并组成其一部分的附图示出本发明的实施例，连同以上给出的总体说明和以下给出的实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1是示出根据本发明第一实施例的三维形状测量装置的结构示例的示意性总体图；

图2是示出孔板的结构示例的平面图；

图3是示出焦点位置改变部的结构示例的透视图；

图4是示意性地示出图像处理装置的内部结构的示例的方框图；

图5A是用于解释由常规方法计算测量物体的Z轴坐标的方法的视图，反射光束的强度在该坐标变为最大值；

图5B是用于解释根据本实施例的计算测量物体的Z轴坐标的方法的视图；

图6A是根据图1中所示的示例的提供有盖构件的孔板的侧视图；

图6B是提供有盖构件的孔板的透视图；

图7是示出用于获取清晰图像的时序图的示例的图示说明；

图8是示出反作用力机构的结构示例的透视图；

图9是根据本发明第二实施例的三维形状测量装置的结构示例的示意性总体图；以及

图10是用于解释根据第二实施例的计算测量物体的Z轴坐标的方法的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图给出根据本发明实施例的三维形状测量装置的说明。

根据本发明实施例的三维形状测量装置通过使用共焦光学系统测量测量物体的形状，共焦光学系统具有二维阵列型的共焦孔阵列。共焦孔阵列提供为孔被二维地设置在孔板中以具有预定设置周期。测量物体的示例包括大规模生产的诸如IC封装的部件的电极端子（例如，具有几十到几百微米的尺寸）。

（第一实施例）

图1是示出根据本发明第一实施例的三维形状测量装置的结构示例的示意性总体图。注意，在以下说明中，将光轴方向设定为Z轴方向以及将垂直于光轴方向的方向设定为X轴方向与Y轴方向的情况作为示例来进行说明。

三维形状测量装置10包括具有光源11a的照明光学系统11；孔板12，设置为其主表面垂直于光轴方向；物镜13；焦点位置改变部14；安装底座16，用于在其上安装测量物体15。三维形状测量装置10还包括具有用于接收从测量物体15反射的光束的多个光检测器17a的光检测器组17、用于在XYZ的每一方向上移动安装底座16的安装底座驱动部18、支撑安装底座16和安装底座驱动部18的支撑底座19、以及图像处理装置20。安装底座驱动部18包括安装底座Z位移部21和安装底座XY位移部22。

例如可以使用例如卤素灯、激光器等作为光源11a。从光源11a发出的光经由照明透镜23形成平面照明光通量。该光经由偏振分束器24照亮孔板12。

图2是示出孔板12的结构示例的平面图。配置孔板12以使得多个共焦孔（在下文中称为孔）25二维地设置以具有预定设置周期Δd。孔板12由孔板位移部26驱动，以便在垂直于光轴方向的预定方向上产生位移。在下文中，说明在Y轴方向的正负方向上产生位移的孔板12的情况的示例。

通常，为了减小光束之间的串扰，二维设置型的孔阵列的孔25必需设置为彼此由预定间隔距离分开。为此，在具有二维设置型的孔阵列的共焦光学系统中，垂直于光轴的面内方向上的分辨率受到这一间隔距离的限制。另一方面，近年来，对于使用固态成像元件的二维图像传感器而言，已经开发出具有非常大量像素（例如，5000×5000等）的图像传感器。

为此，在本实施例中，在光检测器组17曝光的状态下，通过线性扫描孔板12来使一个孔25对应于多个像素。

如图2的局部放大图所示的，当孔板12产生预定设置周期（周期间隔）Δd的位移时，成像目标区域27的内部可以由孔25均匀地扫描一次。在图2中，由虚线虚拟地表示与构成光检测器组17的光检测器（像素）17a相对应的位置。

当将光检测器17a的曝光时间控制为与将孔板12移动由设置周期Δd乘以正整数m而获得的距离所经历的时间一致时，可以使光束经由每一个孔25照射到每一个光检测器17a所经历的时间一致。这一控制由图像处理装置20执行。

孔板12的每一个孔25用作点光源。通过每一个孔25的光束经由焦点位置改变部14通过物镜13照射在测量物体15上，以便会聚在与点光源共轭的斑点（物侧聚焦点）。每一个物侧聚焦点位于设置在Z轴方向上的预定位置并且垂直于光轴方向的表面上（下文中称为物侧聚焦平面）。注意，可以由多个透镜和光阑来配置物镜13，以便形成例如双侧远心光学系统。

孔板位移部26使孔板12在垂直于光轴方向的方向上产生位移。然而，当孔板12的恒定速度特性较差时，在图像中随机地形成不均匀，以使得形状测量精度恶化。为此，优选地，使用高度可控并且可以执行直接驱动的线性电机或音圈电机来使孔板位移部26受闭环控制。

由常用的驱动设备，例如步进电机、伺服电机或压电电机来配置安装底座Z位移部21，并在光轴方向上使安装底座16产生位移。由图像处理装置20经由Z轴驱动器30来控制位移的量、方向和时序。安装底座Z位移部21例如在开始测量前在光轴方向上使安装底座16大致产生位移。

图3是示出焦点位置改变部14的结构示例的透视图。

当在物镜13的光程中设置平行的板状透明构件31时，物镜13的物侧聚焦平面的位置在Z方向上移动。这个移动的范围可以由透明构件31的折射率和厚度来控制。

为此，如图3所示，透明构件31沿着旋转体32的旋转方向以规则间隔设置在旋转体32上。每一个透明构件31配置为具有物镜13的物侧聚焦平面的位置的不同移动范围。当由诸如电机的驱动部33以预定速度连续旋转旋转体32时，每次每个透明构件31与物镜13的光轴相交时，可以在Z方向上不连续地（步进地）移动物镜13的物侧聚焦平面的位置。

由时序传感器34检测旋转体32的旋转状态。时序传感器34的输出传输到图像处理装置20。将每一个透明构件31与物侧聚焦点的Z轴坐标相关联的该信息事先存储在图像处理装置20中。当图像处理装置20基于时序传感器34的输出，以每一个透明构件31与光轴相交的时序重复光检测器组17的曝光时，可以在多个离散的物侧聚焦点的位置容易且高速地执行成像。

注意，驱动部33可以配置为可由图像处理装置20来控制。在此情况下，图像处理装置20可以控制旋转体32的旋转速度。

在由测量物体15反射的光束中，尤其是在物侧聚焦点反射的光束由物镜13会聚于与物侧聚焦点具有光学共轭关系的点（在下文中称为像侧聚焦点）。用作点光源的孔25与物侧聚焦点一一对应。

在本实施例中，说明了像侧聚焦点与用作点光源的孔25一致的情况下的示例。在此情况下，通过孔25的光束会聚于物侧聚焦点，并在物侧聚焦点反射，以便再次进入孔25。

再次进入孔25的光束由偏振分束器24偏转，以便进入成像光学系统35，并进入构成光检测器组17的光检测器17a。在此，成像光学系统35配置为使得孔25处的图像形成在光检测器组17的光电转换表面上。孔25（像侧聚焦点）和设置在对应于孔25的位置处的光检测器17a通过偏振分束器24和成像光学系统35而彼此处于光学共轭关系。

光检测器组17是所谓的二维图像传感器。构成光检测器组17的光检测器17a由CCD（电荷耦合器件）图像传感器或CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器构成，并将对应于照射光束的强度的信号输出到图像处理装置20。此外，光检测器组17的光检测的时序可由图像处理装置20控制。

图像处理装置20可以接收从光检测器组17输出的信号，并使用接收信号作为图像数据（在下文中称为共焦图像数据）来产生图像（在下文中称为共焦图像）。此外，图像处理装置20例如可以基于共焦图像数据针对每一次曝光产生共焦图像。在本实施例中，说明了图像处理装置20针对光检测器组17的每一次曝光产生共焦图像的情况下的示例。另外，当图像处理装置20可以针对光检测器组17的每一次曝光获得光检测器组17的输出信号时，可以基于输出信号执行三维形状测量，因此共焦图像不是必需产生。

安装底座驱动部18的安装底座XY位移部22使安装底座16在垂直于光轴方向的方向上产生位移。例如，安装底座XY位移部22用于在测量之间的每一间隔在XY表面中移动测量目标区域。

安装底座XY位移部22包括X轴位移机构41和Y轴位移机构42，它们分别执行安装底座16在X轴方向和Y轴方向上的定位。例如，由伺服电机配置X轴位移机构41和Y轴位移机构42中的每一个。可以由图像处理装置20借助XY轴驱动器45来控制X轴位移机构41和Y轴位移机构42中每一个的位移的量、方向和时序。

图4是示意性示出图像处理装置20的内部结构的示例的方框图。例如，可以由台式个人计算机、笔记本个人计算机等来配置图像处理装置20。图像处理装置20包括输入部51、显示部52、存储部53和主控制部。

输入部51由常用输入设备来配置，例如键盘、触摸面板和数字键，并将与用户的操作相对应的操作输入信号输出到主控制部。

显示部52由常用示出输出设备来配置，例如液晶示出器或OLED（有机发光二极管）显示器，并根据主控制部的控制显示各种信息。

存储部53是可以由CPU读出和写入的存储介质。存储部53事先存储将每一个平行的板状透明构件31与物侧聚焦点的Z轴坐标相关联的信息。

主控制部由CPU、包括RAM、ROM等的存储介质来配置。主控制部的CPU将存储在包括ROM的存储介质中的线性扫描程序，以及程序执行所需的并存储在存储介质中的数据加载到RAM，并执行处理以线性扫描测量物体的表面。

主控制部的RAM提供用于临时存储由CPU执行的程序和数据的工作区。主控制部的包括ROM的存储介质存储图像处理装置20的启动程序和线性扫描程序，以及程序执行所需的各种数据。

可以通过包括诸如磁记录介质、光学记录介质、或者半导体存储器的CPU可读记录介质来配置包括ROM和存储部53的存储介质，以便经由电子网络下载存储在存储介质的中的部分或全部程序和数据。在此，电子网络总体上是指使用电子通信技术的信息通信网络，并且除了无线或有线LAN（局域网）和互联网之外还包括电话通信网络、光纤通信网络、电缆通信网络、卫星通信网络等。

主控制部的CPU执行线性扫描程序，从而至少用作成像控制部54、高度确定部55和图像产生部56。部54到56中的每一个均使用RAM的所需工作区作为数据的临时存储区。不使用CPU的情况下，也可以通过使用硬件逻辑电路来配置实现各自功能的部54到56中的每一个。

成像控制部54控制焦点位置改变部14、光检测器组17和孔板位移部26。由此对于成像目标区域27包含在平行板状透明构件31中，同时孔板位移部26使孔板12以恒定速度在Y轴方向上产生位移的每一个周期，图像控制部54使光检测器组17执行曝光（成像）。此时，成像控制部54控制孔板12的移动速度、旋转体32的旋转速度及光检测器组17的曝光时间和曝光时序，以使得光检测器组17的曝光时间与孔板12移动由设置周期Δd乘以正整数m获得的距离所经历的时间一致。

高度确定部55从成像控制部54获得物侧聚焦点的当前Z轴坐标（关于当前与光轴相交的透明构件31的信息），并还获得光检测器组17的输出。基于用于光轴方向上不连续变化的物侧聚焦点的每一个位置的光检测器17a的信号，高度确定部55针对每一个光检测器17a计算测量物体15在光轴方向上的位置，进入光检测器17a的反射光束的强度在该位置变为最大。

在此，当考虑将原点设定在安装底座16的中心的坐标系时（安装底座坐标系），可以根据安装底座XY位移部22的当前位置唯一地获得测量目标区域（成像目标区域27）在安装底座坐标系中的XY坐标。为此，与安装底座XY位移部22的当前位置相一致地，唯一地确定对应于每一个光检测器17a的安装底座坐标系中的XY坐标。

传统上，已知各种方法，作为在使用共焦光学系统的形状测量技术中，基于从光检测器17a的输出不连续地获得的多个信号的强度，来计算测量物体15的反射光束的强度变为最大的Z轴坐标的方法。在这些方法中，可以使用任意方法。

图5A是用于解释由常规方法计算测量物体15的Z轴坐标的方法的视图，反射光束的强度在该坐标变为最大。图5B是用于解释根据本实施例的计算测量物体15的Z轴坐标的方法的视图。

图5中的山形曲线表示共焦光学系统的轴上响应曲线（在物镜13的焦点位置相对于测量物体15的相对位置（物侧聚焦点的位置）在平行于光轴方向的方向上变化的情况下光检测器17a的输出）。可以说在轴上响应曲线中，在山形曲线中心的峰值位置是最佳焦点位置。该峰值位置是入射在光检测器17a上的反射光束的强度变为最大的相对位置（在下文中称为表面聚焦位置）。因此，基于有关峰值位置的信息，可以获得有关于测量物体15的表面上XY位置处的光轴方向位置（表面高度）的信息，该XY位置对应于光检测器17a。

然而，如图5A所示，在常规技术中，已使用一种方法，其中通过以必需的分辨率步长尺寸精细地移动物侧聚焦点的位置来获得光检测器17a的输出信号，以便从所获得的输出信号中找出对应于最大强度的位置。在该方法中，对于一次测量，在例如通过在Z方向上移动安装底座16，以在平行于光轴方向的方向上改变焦点位置相对于测量物体15的相对位置的同时，必需获得200个或更多的共焦图像。

另一方面，当线性扫描孔板12时，孔板12不得不非常长，以便在获得全部的大量共焦图像的时段期间以恒定速度移动孔板12。为此，本实施例使用可以减少对于一次测量所需要的共焦图像的数量的算术运算方法。

具体地，如图5B中所示，在以远大于必要分辨率步长尺寸的步长尺寸（例如，以能够在反射光束的强度的中央山形分布中获得约三点的数据的步长尺寸）改变焦点位置在光轴方向上相对于测量物体15的相对位置（物镜13的物侧聚焦点）的同时，在每一个相对位置执行曝光，并且通过使用插值运算来估计中央山形分布的峰值位置。

插值运算方法的示例包括假定山形分布是高斯分布的方法。当通过将中央山形分布拟合为高斯函数来获得中央山形分布的峰值位置时，可以由以下示出的等式（1）来估计峰值位置。借助等式（1），可以基于三个点的值来估计峰值位置，这三个点包括对应于最大值fp的一个点，以及分别对应于值fp–1和fp+1的其他两个点，并且它们是在对应于最大值fp的点之前和之后的点。

zfocus=zp+(ln(fp+1)-ln(fp-1))/(2(2ln(fp)-ln(fp-1)-ln(fp+1)))（1）

在此，参考符号zfocus表示提供山形分布的峰值的焦点位置，参考符号zp表示提供最大值fp的焦点位置。

相比于常规方法，使用这样的插值运算，可以显著减少高度确定所必需的，且在光轴方向上不连续改变的物侧聚焦点的位置（光轴方向测量位置）的数量，即输入共焦图像的数量。例如，尽管常规上需要200个共焦图像，但可以将图像的数量减少到20个或更少。

由高度确定部55针对每一个光检测器17a计算测量物体15的光轴方向位置。基于测量物体15的光轴方向位置，图像产生部56产生测量物体15的形状图像，以使得显示部52能够示出形状图像。

注意，对于一次测量所必需的（用于产生一个形状图像的处理），且在光轴方向上不连续改变的物侧聚焦点的位置（光轴方向测量位置）的数量可以设定为旋转体32的透明构件31的数量的正整数的分数（例如，1/2、1/3等）。例如，在光轴方向测量位置的数量与旋转体32的透明构件31的数量一致的情况下，可以由旋转体32的一次旋转来执行一次测量。此外，孔板12中设置的孔25的周期的数量可以设定为在以恒定速度在Y轴方向的预定方向上（正负方向之一）移动孔板12的同时可以执行至少一次测量所需的数量。

此外，也可以以如下方式执行测量，即，在以恒定速度在Y轴方向的预定方向上（正负方向之一）移动孔板12的同时，执行至少一侧测量，在反转孔板12的移动方向之后，以恒定速度移动孔板12，执行下一次测量。而且，此时，在对于孔板12的移动方向反向等而加速和减速孔板12的周期中，也可以通过在XY轴方向上移动测量物体15来改变测量目标区域。在此情况下，可以在总体上减少多次测量所需的时间。

注意，共焦“显微镜”主要用于观察，因此需要执行连续成像。在这方面，可以说使用Nipkow盘的共焦显微镜是方便的，因为使用它，只要旋转Nipkow盘，就可以连续获得共焦图像。然而，在表面形状测量中，在每一次测量（每一个视场）之间存在间隔，因此不必连续执行成像。因此，只要在以恒定速度移动孔板12的周期期间完成一次测量就没有问题，即使使用诸如根据本实施例的利用孔板12的移动的方法的不连续扫描方法来代替诸如利用Nipkow盘旋转的扫描方法的连续扫描方法。

根据本实施例的三维形状测量装置10可以线性扫描孔板12。因此，当在光检测器组17曝光的同时线性扫描孔板12时，可以使一个孔25对应于多个像素，从而可以实现高分辨率。此外，可以使物侧聚焦点的扫描轨迹沿着绝对的直线，从而可以以矩形形成测量物体15的表面上的扫描区域（测量目标区域）。因此，与使用Nipkow盘的情况相比，可以改进与二维图像传感器的兼容性。

在本实施例中，说明了孔板12是提供有多个针孔（孔25）的针孔阵列型的情况下的示例。在此情况下，仅必需将孔设置为具有预定设置周期Δd，因此也可以使用狭缝阵列型的孔板。在将狭缝阵列型的孔板用作孔板12的情况下，将每一个狭缝的长边设定为在垂直于孔板12的移动方向的方向上，当设置多个狭缝时可以将预定设置周期处理为Δd，以使得在移动方向上彼此相邻的狭缝的中心之间的间隔是Δd的正整数分数。

在使用具有这样的狭缝的孔板12的情况下，获得共焦图像所需的最小扫描宽度等于彼此相邻的狭缝的中心之间的间隔（间距）。即，当将孔板12移动狭缝的间距时，可以由构成光检测器组17的全部光检测器17a获得共焦数据。为此，当使用狭缝阵列型孔板12时，与使用针孔阵列型孔板12的情况相比，可以减小获得一个共焦图像所需的孔板12的移动距离。

接下来，将说明孔板12的详细结构和孔板12的防尘方法。

在孔板12中形成孔25，以具有一到几μm的直径尺寸。为此，对其中形成多个孔25的至少一个区域（下文中称为孔区域）采取防尘措施。当采用以外壳封闭三维形状测量装置10的整个光学系统的方法，或者以外壳封闭孔板12和孔板位移部26的方法作为孔区域的防尘措施时，任何方法都需要大规模的结构，并且同样会从诸如孔板位移部26的驱动部产生灰尘，以至于附着于孔阵列区域。

为此，根据本实施例的三维形状测量装置10包括盖构件60，用于保护孔板12避免灰尘。盖构件60用于保护孔板12的孔区域的两侧避免灰尘。图1示意性地示出盖构件60的结构的示例。此外，图6A是根据图1中所示的示例的提供有盖构件60的孔板12的侧视图，图6B是提供有盖构件60的孔板12的透视图。

在图1和图6所示的盖构件60的结构示例中，由透明基板12a配置孔板12。这一结构适合于铬蚀刻透明基板12a的光源侧表面以形成孔25的情况。在此情况下，由透明基板12a保护孔区域的物镜侧表面避免灰尘。为此，仅仅孔区域的光源侧表面需要由盖构件60保护以避免灰尘。因此，如图1和图6所示，仅必需在孔板12的光源侧（其上形成孔25的侧面）可分离地提供盖构件60，以便覆盖孔25并保护孔区域的光源侧表面免于灰尘。以下将更详细地说明此情况下的孔板12和盖构件60的结构。

盖构件60包括透明体61、透明体61的支撑件62、和中间板63。另一方面，孔板12包括孔区域，在其中在透明基板12a的光源侧表面上形成多个孔25。

支撑件62和中间板63中的每一个提供有开口，用于传输来自光源11a的光束。透明体61的整个外周粘结到支撑件62的开口的内侧或外侧。将支撑件62拧紧到中间板63，以使得支撑件62的开口的中心基本上与中间板63的开口的中心一致。此外，当在支撑件62与中间板63之间的接触表面上提供诸如O形圈的衬垫（packing）64以便围绕中间板63的开口时，可以进一步提高防尘效果。

此外，将孔板12的整个外围焊接到中间板63的侧面，该侧面与支撑件62的固定侧相对，以使得孔25的形成表面与中间板63的开口彼此面对。结果，可以在由孔板12、透明体61、支撑件62和中间板63形成的封闭空间中提供其中形成有多个孔25的孔区域。此外，孔板12和盖构件60由孔板位移部26在Y轴方向上整体地产生位移。

注意，不需要将孔板12的整个外围焊接到中间板63，孔板12可以借助诸如O形圈的衬垫可分离地拧紧到中间板63。在此情况下，盖构件60可分离地附接到孔板12。在将孔板12可分离地压配到盖构件60的情况下，可以容易地执行孔板12的更换和维护。

将中间板63拧紧到L形夹具66的纵向部，以便将孔板12安装到L形夹具66的开口中。L形夹具66的横向部拧紧到孔板安装部67。孔板安装部67由受成像控制部54控制的线性电机68沿线性导轨68a在Y轴方向上产生位移。通过使用来自设置在线性导轨68a附近的多个传感器的传感器组69的输出信号来执行线性电机68的驱动控制。传感器组69中包括原点传感器、限制传感器等。

在孔板12的孔25的光源侧形成表面65上提供盖构件60，以便覆盖孔区域，并保护孔区域的光源侧避免灰尘。由此，与由外壳覆盖整个孔板位移部26的情况，或者由外壳覆盖三维形状测量装置10的整个光学系统的情况相比，可以以非常轻便和简单的结构实现防尘，并还可以避免由电机产生的灰尘的不利影响。

透明体61和透明基板12a中的每一个均防止灰尘附着到孔板12的孔区域，但不能避免灰尘附着到透明体61和透明基板12a每一个的本身。然而，当透明体61和透明基板12a中的每一个具有足够的厚度时，附着到透明体61和透明基板12a中的每一个的灰尘与孔板12的位置间隔分开。孔板12的位置是物镜13的和成像光学系统35的图像形成位置。因此，图像形成光通量的直径在灰尘附着到透明体61和透明基板12a中的每一个的表面的位置较大。因此，图像形成光通量无法被灰尘完全阻塞，从而灰尘的影响较小。

然而，当将厚的透明体61插入到光程中时，不能忽视透明体61对成像光学系统35的图像形成性能的影响。因此，需要在考虑到透明体61的厚度的情况下设计成像光学系统35。当然，需要将没有任何条纹并具有足够高的表面精度和平行度的光学玻璃用作透明体61。

注意，图1和图6中示出在透明基板12a的光源侧上形成孔25，且盖构件60保护孔区域的光源侧避免灰尘的情况的示例，但孔板12和盖构件60可以布置为整体上在光程中倒置。即，可以在透明基板12a的物镜侧形成孔25，且可以由盖构件60保护孔区域的物镜侧避免灰尘。

此外，仅必需盖构件60具有保护孔板12的孔区域的两侧避免灰尘的结构。因此，盖构件60的结构不限于图1和图6所示的结构。在图1和图6所示的结构示例中，由透明基板12a保护孔板12的孔区域的一个侧面避免灰尘，因此仅必需配置盖构件60以便能够保护孔区域的另一侧面避免灰尘。另一方面，例如，当由具有高遮光特性的板（包括金属板、涂覆有遮光涂料的塑料板等）形成孔板12时，且当通过在板中提供孔来形成孔25时，优选地，配置盖构件60以便覆盖孔板12的孔区域的光源侧和物镜侧两者。此时，优选地，盖构件60包括例如，图1中所示的两组透明体61和支撑件62，每一组均可分离地提供在由具有高遮光特性的板形成的孔板12的孔区域的光源侧和物镜侧中的每一个上。

接下来，将说明借助成像控制部54的成像控制方法。

成像控制部54控制焦点位置改变部14、光检测器组17和孔板位移部26。成像控制部54由此控制孔板12的移动速度、旋转体32的旋转速度及光检测器组17的曝光时间和曝光时序，以使得光检测器组17的曝光时间与将孔板12移动由设置周期Δd乘以正整数m而获得的距离所经历的时间一致。例如，当孔25的设置周期是100μm时，且当孔板12的恒定移动速度v是10mm/s时，孔板12移动设置周期Δd所需的时间Δt是10m/s。在此情况下，控制光检测器组17的曝光时间Δt1，以便与由Δt=10m/s乘以正整数m所获得的时间准确地一致。

然而，即使在曝光时间Δt1与m·Δt准确一致的情况下，当曝光时间Δt1存在微小误差时，在图像中会产生图案。该图案由孔25在曝光开始时间的位置来确定。即，曝光不足或曝光过度出现在孔25在曝光开始时间的的位置附近的像素中，以至于呈现为图案。此外，在孔25的设置方向和孔板12的移动方向彼此未准确一致且彼此倾斜的情况下，即使当倾斜是微小的时，也出现类似的图案。这一图案也由孔25在曝光开始时间的位置来确定。因此，当孔25在曝光开始时间随机定位时，图案也随机地改变。

同时，根据焦点位置改变部14的时序传感器34的触发时序来确定曝光开始时序。为此，例如，当完全独立于孔板位移部26来确定旋转体32的旋转的数量时，对于每一个图像获取，上述图案几乎是随机变化的，以至于被反射为用于测量操作的轴上响应曲线中的噪声成分。从而使测量精度恶化。

为了避免这样的问题，必须避免曝光以随机的时序开始，并允许曝光仅以与将孔板12移动设置周期Δd的时间（在上述示例中是10ms）的整数倍相对应的间隔开始。由此，防止图案的随机产生，以使得获得更清晰的图像。

图7是示出用于获取清晰图像的时序图的示例的图示说明。

如图7所示，每一次旋转体32的透明构件31与光轴相交时，成像控制部54使得光检测器组17执行曝光。此时，成像控制部54使光检测器组17的曝光时间Δt1仅与时间m·Δt一致，该时间m·Δt通过将孔板12移动设置周期Δd所需的时间Δt乘以正整数m而获得。此时，成像控制部54控制孔板12的移动速度v，以使得移动速度v设定为v=Δd/Δt。此外，成像控制部54使彼此相邻的曝光开始时间之间的间隔与由Δt乘以正整数n（n>m）获得的时间n·Δt一致。

例如，在上述示例中，考虑m=1且n=2的情况。在此情况下，假定以相机的最高成像速度是60fps（约17ms/张）的方式获得图像。还假定在测量开始时的第一个图像的曝光开始时序（其可以随机设定）执行曝光后，在距曝光开始时序20ms的间隔时开始下一个图像的曝光，以便获得下一个图像。当然，假定曝光时间准确设定为10ms。在此情况下，出现在第一个图像之后获得的每一个图像中的图案出现在与第一个图像的图案完全相同的位置。当孔25在曝光开始时间随机定位时，图案也随机地改变，以至于被混淆成为轴上响应曲线中的噪声，从而影响测量精度。然而，当图案的位置不改变并被固定时，图案不作为轴上响应曲线中的噪声而出现，而仅仅在整体上以曲线的高度（强度）的差的形式出现。因此，图案几乎不影响测量精度。

此外，当通过获得与设置在旋转体32上的透明构件31的数量相对应的图像数量来完成一次测量时，优选地，使旋转体32的旋转速度与乘以透明构件31的数量的曝光（图像输入）时段的倒数一致。例如，当假定透明构件31的数量为10时，获得上述示例中乘以透明构件31数量的曝光时段是20ms×10（件）=200ms，因此，以旋转速度1/200ms=5rps旋转旋转体32。当旋转体32的速度准确时，且当时序传感器34具有高精度且可以准确地以20ms间隔产生时序信号（在可忽略的误差内）时，可以实现上述目标。此外，当旋转体32的时序信号不准确时，可以以如下方式获得10个图像：在测量开始指令之后，通过将时序传感器34的第一个信号用作触发来开始曝光，并且随后准确地以20ms间隔开始曝光。以此方式，仅必需使旋转体的速度仅在至多一个旋转周期期间没有较大偏离，因此不必严格要求旋转体的旋转速度的精度。

接下来，将说明用于减小由孔板12的加速和减速产生的力的影响的方法。

优选地，将孔板12尽快地加速到恒定速度。然而，考虑到当孔板12被快速加速和减速时，孔板12会由加速和减速产生的力而振动，从而降低测量精度。为了减小由孔板12的加速和减速产生的力的影响，优选地提供反作用力机构。

图8是示出反作用力机构70的结构示例的透视图。反作用力机构70包括可移动体71及调节构件72，通过线性电机68使可移动体71沿线性导轨68a在Y轴方向上产生位移，调节构件72设置在可移动体71上，以与可移动体71整体地产生位移。

可移动体71由受成像控制部54控制的线性电机68驱动，由此减小（消除）由孔板12的加速和减速产生的力的影响。例如，当选择调节构件72的重量，以使得设置在孔板安装部67上的物件的重量加上孔板安装部67自身的重量与反作用力机构70的重量一致时，孔板安装部67与反作用力机构70的重心存在于孔板安装部67与可移动体71的中间。在此情况下，例如，当可移动体71与孔板安装部67以相同速率在相反方向上分别加速或减速，以相对于上述的重心对称地定位时，可以减小由孔板12的加速或减速产生的力的影响。

（第二实施例）

接下来，将说明根据本发明的三维形状测量装置的第二实施例。

图9是根据本发明第二实施例的三维形状测量装置10A的结构示例的示意性总体图。

示出为第二实施例的三维形状测量装置10A与示出为第一实施例的三维形状测量装置10的不同之处在于：焦点位置改变部14设置在孔板12相对于物镜13的一侧。由于三维形状测量装置10A的其他结构和操作与图1中的三维形状测量装置10基本上没有不同，由相同的参考标号和字母来表示相同的组件和结构，并省略其解释。

以如下方式来使用显微镜：通过更换物镜而增大放大倍率来提高（观察）精度，相反地，降低（观察）精度以便在大视场中观察整个物体。以此方式，显微镜实现了根据观察目的来选择最佳放大倍率，从而具有高度灵活性。

期望三维形状测量装置具有这样的灵活性。然而，如在根据第一实施例的三维形状测量装置10的情况下，当将包括旋转体32的焦点位置改变部14插入测量物体15一侧（在测量物体15与物镜13之间）时，无法获得这样的灵活性。这是因为旋转体32上的透明构件31的厚度间距被确定为在共焦轴上响应曲线（表示当物侧聚焦点在Z方向上移动时检测器的输出变化的曲线）的中央山形部分中可以采样三个或更多个点的值，尽管当更换物镜13时，测量物体15一侧的物镜13的NA（数值孔径）被改变。

中央山形部分的宽度由测量物体15一侧的NA确定。为此，当更换物镜13时，还必需改变设置在旋转体32上的透明构件31的间距。即，不仅必需更换物镜13，还有旋转体32自身。

图10是用于解释根据第二实施例的计算测量物体的Z轴坐标的方法的视图。

如果像侧（孔板12相对于物镜13的一侧）的NA没有改变，即像侧的成像透镜没有更换的状态（在此状态下，在共同显微镜中物镜13被更换），测量物体15一侧的物镜13的NA由像侧NA乘以放大倍率来确定。此外，中央山形部分的宽度与测量物体15一侧的NA的平方成反比。即，中央山形部分的宽度与放大倍率的平方成反比。

因此，如图9所示，当旋转体32位于像侧（孔板12一侧）的空间中时，像侧空间的采样间距与测量物体15一侧的空间中的透镜的纵向放大倍率（横向放大倍率的平方）成反比，该采样间距由透明构件31的厚度间距来确定。为此，如可以从图5B与图10之间的比较见到的，即使当更换物镜13以改变放大倍率时，不仅中央山形部分的宽度，而且测量物体15一侧的采样间距也类似地自动改变，以与横向放大倍率的平方成反比。因此，如图9所示，在旋转体32位于像侧空间（在孔板12一侧上）中的情况下，即使当更换物镜13时，也不必更换旋转体32。当然，在光轴方向上的物侧空间（Z轴方向上的测量区）也与横向放大倍率的平方成反比地变化，实际上能够在该空间中执行测量。然而，通常以较高放大倍率观察较小的物体，因此这样的变化是合理的。

因此，使用根据第二实施例的三维形状测量装置10A，可以容易地改变物镜13的放大倍率。此外，与焦点位置改变部14设置在测量物体15一侧的情况相比，可以充分地确保测量物体15一侧的空间中的工作距离，从而能够改进可操作性，并还可以容易地提供诸如倾斜入射照明的辅助照明。

尽管已经说明了某些实施例，但仅是示例性地提出这些实施例，并非旨在限制本发明的范围。实际上，可以以多种其他形式来体现本文所述的创新实施例；而且，在不脱离本发明的精神的情况下，可以做出本文所述实施例的形式上的各种省略、替代和改变。所附权利要求及其等价物旨在覆盖此类形式或修改，它们也属于本发明的范围和精神内。

例如，焦点位置改变部14不限于图3所示的结构，只要其可以在Z方向上移动物镜13的物侧聚焦点的位置。例如，焦点位置改变部14还可以由光程长度调节构件和调节构件驱动部来配置，该光程长度调节构件由具有预定折射率和光轴方向上可变的厚度的透明体构成，该调节构件驱动部改变透明体在光轴方向上的厚度。在此情况下，焦点位置改变部14可以以如下方式改变物侧聚焦点在光轴方向上的位置：通过改变与光轴相交的透明体的光轴方向厚度来改变通过光程长度调节构件的光束的光程长度。例如，光程长度调节构件可以由彼此平行设置的两个平行平面玻璃板来配置，并在玻璃板之间填充液体。在此情况下，调节构件驱动部可以通过改变液体的体积来改变光程长度。

Claims (8)

1.一种使用共焦光学系统的三维形状测量装置，包括：

提供有多个共焦孔的孔板，所述多个共焦孔各自允许来自光源的光束从其通过并且所述多个共焦孔被二维设置为具有预定设置周期；

物镜，配置为将通过所述多个共焦孔的每一所述光束会聚于物侧聚焦点，并再次将由会聚光束在测量物体处的反射形成的每一反射光束会聚于各自对应的共焦孔；

包括旋转体和驱动部的焦点位置改变单元，所述旋转体上提供有多个平行板式构件，所述多个平行板式构件至少折射率和厚度之一彼此不同，并沿着旋转方向设置以便与所述物镜的光轴相交，所述驱动部配置为以预定速度连续地旋转所述旋转体，所述焦点位置改变单元配置为每次由所述旋转体的旋转改变与所述光轴相交的所述平行板式构件时，不连续地改变所述物侧聚焦点在光轴方向上的位置；

光检测器组，包括多个光检测器，每一个所述光检测器输出与再次通过所述共焦孔的反射光束的强度相对应的信号；

孔板位移单元，配置为使所述孔板在垂直于所述光轴方向的预定方向上以恒定速度产生位移，以改变在垂直于所述光轴方向的所述方向上所述物侧聚焦点的所述位置与所述测量物体的位置之间的相对位置关系；

成像控制单元，配置为使所述光检测器组在所述孔板在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上的恒定速度移动时段中多次执行曝光，以及使所述光检测器组在每次成像目标区包括在所述平行板式构件中时执行每一所述曝光，以及控制所述孔板的移动速度、所述旋转体的旋转速度以及所述光检测器组的曝光时间和曝光时序，以使得所述光检测器组的所述曝光时间与所述孔板移动由所述预定设置周期乘以第一正整数获得的距离所经历的时间一致；

高度确定单元，配置为基于所述光检测器的对于由所述焦点位置改变单元不连续地改变的所述物侧聚焦点在所述光轴方向上的每一所述位置的所述信号，估计所述测量物体的所述位置，在所述位置处入射到每一所述光检测器上的所述反射光束的强度变为最大；

盖构件，提供在所述孔板上方，以与所述孔板整体地由所述孔板位移单元产生位移，所述盖构件配置为包括透明体，所述透明体允许所述光源的所述光束从其通过并且允许所述光源的所述光束照射到所述多个共焦孔，并且所述盖构件配置为保护所述多个共焦孔避免灰尘；以及

考虑到包括所述盖构件的所述透明体的整个光学系统的光学特性而设计的成像光学系统，并且所述成像光学系统配置为将再次通过所述共焦孔的所述反射光束引导到所述光检测器。

2.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中，所述盖构件可分离地附接到所述孔板。

3.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中，

所述成像控制单元还控制所述孔板的所述移动速度、所述旋转体的所述旋转速度、以及所述光检测器组的所述曝光时间和所述曝光时序，以使得在所述多次曝光中，从任一曝光开始时间到下一曝光开始时间的时段与所述孔板移动由所述预定设置周期乘以大于所述第一正整数的第二正整数获得的距离所需的时间一致。

4.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中，

所述焦点位置改变单元设置在所述孔板与所述物镜之间，以使得所述多个平行板式构件与所述物镜在所述孔板一侧的光轴相交。

5.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，还包括：

安装底座，所述测量物体安装在所述安装底座上；以及

安装底座位移单元，配置为使所述安装底座在垂直于所述光轴方向的所述方向上产生位移，以改变在垂直于所述光轴方向的所述方向上所述物侧聚焦点的所述位置与所述测量物体的所述位置之间的所述相对位置关系，

其中，在除了所述孔板在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上以恒定速度产生位移的时段之外的时段中，所述安装底座位移单元改变在垂直于所述光轴方向的所述方向上所述物侧聚焦点的所述位置与所述测量物体的所述位置之间的所述相对位置关系，以及

除了所述孔板在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上以恒定速度产生位移的时段之外的所述时段是所述孔板由所述孔板位移单元在所述预定方向上加速和减速的时段，和当由所述孔板位移单元在所述预定方向上反转所述孔板的移动方向时的时间或时段。

6.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中，所述孔板位移单元包括：

孔板安装单元，所述孔板安装在所述孔板安装单元上；以及

线性电机，由所述成像控制单元控制，并且配置为使所述孔板安装单元在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上产生位移。

7.根据权利要求6所述的三维形状测量装置，其中，

所述孔板位移单元还包括在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上产生位移的反作用力机构，以及

所述成像控制单元操作所述反作用力机构，以减小由所述线性电机加速和减速所述孔板安装单元所产生的力的影响。

8.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中，

所述焦点位置改变单元包括：

光程长度调节构件，由提供于与所述物镜的所述光轴相交的位置并具有预定折射率和所述光轴方向上的可变厚度的透明构件构成，以及

调节构件驱动单元，配置为改变所述透明构件在所述光轴方向上的厚度，以及

焦点位置改变单元，配置为以通过改变与所述光轴相交的所述透明构件的所述光轴方向厚度来改变光程长度的方式改变所述物侧聚焦点在所述光轴方向上的所述位置。

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